一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承的制作方法

本發明涉及磁軸承領域，尤其是一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承。

背景技術：

電磁懸浮軸承是通過電磁力使得軸承的轉子與定子處于相對懸浮狀態；因此，電磁懸浮軸承表現出諸多優點，例如：無需潤滑、無摩擦/無磨損、低噪聲、適用于高速和超高速運行場合。磁懸浮軸承已經在航空航天，精密儀器，高速高精密數控機床等領域有廣泛應用。

電磁懸浮軸承主要分為三類：①被動磁軸承②主動磁軸承③混合磁軸承。電磁懸浮軸承的電磁控制部分，是通過改變各磁極的電流大小，來控制磁極變現的剛度和阻尼。進而調整轉子的狀態。電磁懸浮軸承電控部分主要是通過傳統的PID控制。使得轉子平穩運行。

電磁懸浮軸承轉子的振動位移和振動速度檢測是大多數的都是通過電渦流位移傳感器和振動速度傳感器來完成的，可以滿足檢測的要求。然而，昂貴的傳感器成本和復雜的安裝及布線，后期維護與校準的困境在振動位移檢測中提出更高的要求。隨著電磁懸浮軸承的自傳感方法和技術的應用，從而彌補了電渦流位移傳感器和振動速度傳感器給磁軸承系統所帶來的諸多缺點。

技術實現要素：

為了克服已有磁軸承的體積較大、渦流較大、加工復雜的不足，本發明提供一種減少體積、降低渦流、簡化加工的一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承，包括軸承座、定子和轉子，所述轉子位于定子的內孔，所述定子由八個相互獨立的電磁鐵組成，八個電磁鐵等圓弧間隔布置且在同一安裝平面上，八個電磁鐵的磁極均在同一橫截面上徑向布置；所述軸承座的內側內孔上等圓弧設置有八個電磁鐵安裝槽，每個電磁鐵與每個電磁鐵安裝槽一一對應，第一軸承端蓋的內側內孔上等圓弧設置有八個電磁鐵安裝槽，所述第一軸承端蓋上的電磁鐵安裝槽與所述軸承座的電磁鐵安裝槽一一對應并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵位于所述電磁鐵安裝腔內并與其過盈裝配，所述第一軸承端蓋與所軸承座固定在一起；

所述軸承座的外側固定安裝有第二軸承端蓋。

進一步，所述軸承座的內側上設有絕磁陰槽，所述第一軸承端蓋的內側上設有與絕磁陰槽相配合的絕磁陽槽；所述絕磁陰槽包括用于隔離軸承座上的相鄰兩個電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該軸承座的八個電磁鐵安裝槽外一周的環形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環形凹槽的內側連接；

所述絕磁陽槽包括用于隔離第一軸承端蓋上的相鄰兩個電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承端蓋的八個電磁鐵安裝槽外一周的環形凸起，所述隔斷凸起與所述環形凸起的內側連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內，所述環形凸起卡接在所述環形凹槽內。

再進一步，所述電磁鐵的鐵芯是由硅鋼片或坡莫合金疊片制成。

更進一步，所述電磁鐵安裝槽為扇形。

本發明的有益效果主要表現在：減少體積、安裝簡易、成本較低；異極型結構和自傳感功能縮減了磁軸承的軸向尺寸，小型化結構使得磁軸承生產標準化，工程應用范圍更加廣泛。

附圖說明

圖1是一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承的爆炸圖。

圖2是圖1的定子的結構示意圖。

圖3是軸承座的結構示意圖。

圖4是第一軸承端蓋的結構示意圖。

圖5是一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承的控制圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖5，一種異極型八極徑向電磁懸浮軸承，包括軸承座22、定子23和轉子，所述轉子位于定子23的內孔，所述定子23由八個相互獨立的電磁鐵231組成，八個電磁鐵231等圓弧間隔布置且在同一安裝平面上，八個電磁鐵231的磁極均在同一橫截面上徑向布置；所述軸承座22的內側內孔上等圓弧設置有八個電磁鐵安裝槽3，每個電磁鐵與每個電磁鐵安裝槽一一對應，第一軸承端蓋24的內側內孔上等圓弧設置有八個電磁鐵安裝槽，所述第一軸承端蓋24上的電磁鐵安裝槽與所述軸承座的電磁鐵安裝槽一一對應并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵231位于所述電磁鐵安裝腔內并與其過盈裝配，所述第一軸承端蓋24與所軸承座22固定在一起；

所述軸承座22的外側固定安裝有第二軸承端蓋21。

進一步，所述軸承座22的內側上設有絕磁陰槽221，所述第一軸承端蓋24的內側上設有與絕磁陰槽221相配合的絕磁陽槽241；所述絕磁陰槽221包括用于隔離軸承座22上的相鄰兩個電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該軸承座的八個電磁鐵安裝槽外一周的環形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環形凹槽的內側連接；

所述絕磁陽槽241包括用于隔離第一軸承端蓋24上的相鄰兩個電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承端蓋的八個電磁鐵安裝槽外一周的環形凸起，所述隔斷凸起與所述環形凸起的內側連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內，所述環形凸起卡接在所述環形凹槽內。

再進一步，所述電磁鐵231的鐵芯是由硅鋼片或坡莫合金疊片制成。

更進一步，所述電磁鐵安裝槽3為扇形。

本發明的工作原理為：八個磁極配置在同一平面內，且均勻相間分布，形成并置的異極型八極徑向電磁懸浮軸承。磁極相互絕磁，使得磁通/磁路不會相互影響。為了縮減徑向磁軸承的軸向尺寸和提高磁軸承控制系統的穩定性，本發明中集成了基于電流傳感器的自傳感技術來代替傳統磁軸承中的振動位移傳感器；實時測量電流及其時間變化率，基于磁通變化估計算法來計算振動位移和振動速度。處于同一平面內的八個磁極根據自傳感算法得到的振動位移和振動速度信息，通過控制器來配置電磁阻尼磁極和電磁剛度磁極，分別利用振動位移和振動速度輸出電磁阻尼力和電磁剛度力，從而達到磁懸浮轉子振動控制。

如圖1所示，異極型八極徑向電磁懸浮軸承在同一橫截面內分布有S和N兩種磁極，即所有的磁極都在同一橫截面內；電磁鐵231是由鐵芯和電磁線圈組成，電磁鐵231的鐵芯由硅鋼片/坡莫合金疊片而成，在鐵芯上繞上電磁線圈，就可以組成磁懸浮磁極；將此定子22過盈裝配入鋁合金軸承座I和第一軸承端蓋24組成的電磁鐵安裝腔內，軸承座22和第一軸承端蓋24以螺紋孔連接，通過螺釘連接鎖緊，這樣軸承得以封閉。并且軸承座I和第一軸承端蓋24通過陰陽槽結構配合以達到絕磁使用，絕磁陰陽槽如圖3所示。使得位于同一安裝平面內的八個磁極相互絕磁，并達到無漏磁，從而取得八個磁極彼此獨立、互無影響。利用這種裝配結構，突出了軸承組裝的簡便性。在轉子工作時受到一個外力，位移傳感器會獲得轉子的位移信號，把該位移信號傳入磁軸承中央控制器，通過磁軸承中央控制器對其進行分析出來，輸出一個控制信號，該控制信號分別控制八對電磁線圈電流，使其中四對電磁鐵產生控制力，另外四對產生阻尼力，從而使得轉子能夠被快速平衡。

轉子在控制磁極提供的靜剛度支撐下處于懸浮的狀態，當受到外力的作用時，轉子會偏離軸心的位置，從而改變了氣隙的長度；氣隙發生變化會導致磁通發生變化，磁通發生變化后會導致電磁線圈中的電流發生微小變化，電流傳感器通過檢測電磁線圈中電流的變化，會獲得一個與轉子位移有關的電流信號，經過信號采集單元進行HHT變換，然后經過自傳感估計器中的基于磁通變換的位移估計器，將振動位移估計值送入磁軸承中央控制器，并且通過磁軸承中央控制器中的非線性微分器得到轉子的振動位移和振動速度，于此磁軸承中央控制器基于模糊控制算法會輸出控制數據參數。

控制數據參數包括控制類型、控制評定等級和控制數據；控制類型包括剛度型和阻尼型兩種，控制評定等級分為七級控制粒度(負大NB、負中NM、負小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB)。

控制信號發生器根據控制數據參數計算出轉子偏離平衡狀態的調整電流大小(或PWM信號的占空比)。磁懸浮轉子在相應磁極的電磁力(剛度力或阻尼力)的作用下，取得旋轉運動的穩定特性。

由于當轉子偏離軸心時，位移傳感器與電流傳感器同時工作，當自傳感估計器估計出的振動位移和振動速度與位移傳感器檢測出來的值相同時，位移傳感器便不需要工作，而電流傳感器直接檢測電磁線圈的電流，然后通過信號采集單元和自傳感估計器估計出轉子的振動位移和振動速度，磁軸承中央控制器通過控制信號發生器給功放電路一個電流信號，從而控制電磁線圈中的電流，進而控制轉子的平衡。而在此之前磁軸承中央控制器中對自傳感估計器測得的轉子位移與位移傳感器測得位移進行比較，此時自傳感估計獲得的位移信號，不參與控制，只是和位移傳感器獲得的位移信號進行比較。

如圖5所示，電磁控制環的動態組配關系；8個磁極周向逆時針依次編號J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8。8個磁極組合可以表現為如下形式：

(1)“8極”支承剛度組態：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表現為彈性支承屬性。

(2)“8極”徑向阻尼組態：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表現為阻尼屬性。

(3)“4+4”磁極動態分配：J1，J3，J5，J7表現為彈性支承屬性，J2，J4，J6，J8變現為阻尼屬性。

通過對電磁線圈控制，可以提供在空間上動態旋轉的阻尼和支承特性；阻尼與剛度的組合形式會因軸承所處的狀態和轉子轉速不同的情況下有不同的組合。(1)，(2)，(3)三種控制組態可以通過控制實現多態輪動控制方式。例如：“8極”支承剛度--->“4+4”磁極動態分配--->“8極”阻尼狀態循環輪動，從而表現為8極普通徑向磁軸承、剛度和阻尼并置磁軸承和8極徑向電磁阻尼器；或者“8極”支承剛度--->“4+4”磁極動態分配輪動；或者單獨為“4+4”配置的剛度和阻尼混合并置電磁狀態。

通過控制電磁線圈中的電流提供不同大小的電磁剛度力或電磁阻尼力，為轉子提供懸浮穩定控制；剛度和阻尼磁極的動態分配為轉子適應從低速到高速旋轉運動穩定控制提供電磁基礎。

本電磁懸浮軸承是利用了加載于磁極的電流來計算振動位移和振動速度，從即自傳感功能。實時計算電流及其時間變化率，并基于磁通變化估計算法來完成自傳感方法和技術；該技術為電磁懸浮轉子提供剛度和阻尼控制過程提供便利，適時穩定轉子的旋轉運動特性，從而為高速運動提供工程應用基礎。

自傳感算法通過自傳感估計器的微型計算機采集和測量加載于磁極的電流，利用一個二階非線性微分器和HHT(Hilbert-Huang)變換器來取得電流的高階變化特征，為振動位移和振動速度的快速和準確檢測提供良好的保證，進而為電磁懸浮轉子高速旋轉提供保障。

電磁控制時，每一個配對的電磁磁極組合會因不同的控制要求分別表現為軸承的支承剛度特性和阻尼性質，即可動態提供給轉子系統所需的實時阻尼力和支承力。

本發明是兩磁極之間無漏磁磁阻，改善了磁極的磁路。在不同的控制組態或者進行多態輪動控制時，本發明的結構可以極大改善相鄰電磁磁極之間的漏磁特性，為剛度和阻尼狀態的順利轉換提供便利。